MAKALAHSISTEM PENGENDALIAN PID YANG DIAPLIKASIKAN PADA PENGENDALIAN STEAM TURBIN DENGAN SINGLE VARIABLE INPUT DAN SINGLE OUTPUTDiajukan untuk memenuhi tugas mata kuliah Sistem Kendali

oleh :NAMA: ALQAF YEFRI.SNO BP: 1101024024KELAS: 2 PLN

PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIKJURUSAN TEKNIK ELEKTROPOLITEKNIK NEGERI PADANG2013KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, Pemelihara seluruh alam raya, yang atas limpahan rahmat, taufik dan hidayah-Nya, penulis mampu menyelesaikan makalah sistem kendali ini.Makalah ini dikerjakan untuk melengkapi tugas mata kuliah sistem kendali II di jurusan elektro Politeknik Negeri Padang.Terselesaikannya makalah ini tentunya tak lepas dari dukungan dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu, ucapan terima kasih yang tak terhingga penulis sampaikan kepada semua pihak. Semoga karya penelitian makalah ini dapat memberikan manfaat dan kebaikan bagi banyak pihak demi kemaslahatan bersama serta bernilai ibadah di hadapan Allah SWT. Amien.Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan untuk perbaikan di masa yang akan datang. Walaupun demikian penulis mengharapkan makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Padang, Juli 2013

Penulis

BAB IPendahuluan

Kualitas suatu pengendali ditentukan oleh seberapa baik kinerja Dalam merancang kendali otomatis, model dari plant yang akan dikendalikan haruslah diketahui terlebih dahulu. Berdasarkan model yang diperoleh, maka perancang melakukan uji coba untuk mengetahui kinerja dan kehandalan dari suatu pengendali yaitu dengan teknik-teknik yang banyak dikemukakan para ahli teknik kendali, seperti teknik tanggapan frekuensi, root locks state spacedan kendali optimal. Pengendali yang selama ini dianggap cukup baik yaitu PID (Proportional Integral Differensial), memang sudah diketahui kinerjanya baik oleh kalangan ilmuwan maupun dunia industri. Tetapi pengendali konvensional PID ini tidak dapat digunakan untuk variabel yang tidak linear dan tidak dapat digunakan untuk pada pengendali multi variabel. Pada bidang kendali yang mempunyai multi variabel dan non linear malah lebih mudah dikendalikan oleh operator (manusia), tanpa harus mengetahui persamaan atau model matematik dari sistem yang dikendalikan. Operator (manusia) menginginkan suatu pengendali yang mampu melakukan proses pengendali dengan cara pola pikir atau kerja dari otak manusia. Dengan kemampuan sistem-sistem non linear, dengan variabel-variabel yang tidak jelas batasannya serta mutlak memerlukan model matematik dari sistem yang akan dikendalikan. Pemecahan dari persoalan ini adalah dengan ditemukannya sistem pengendali dari PID. Pengendali ini adalah pengendali cerdas dan dapat digunakan pada bidang pengendali secara luas. Penelitian ini akan menyajikan kinerja dari sistem pengendali PID yang diaplikasikan pada bidang kendali non linear yang cukup sulit yaitu pengendalian Steam Turbin dengan Single Variabel Input dan Single Output (SISO), dengan melibatkan tiga PID pengendali tersebut dalam melakukan proses pengendalian terutama pada bidang kendali yang tergolong sulit. pengendali tersebut dalam melakukan proses pengendalian terutama pada bidang kendali yang tergolong sulit.

BAB IITEORI DASAR

2.1 Persyaratan umum sistem kendali Setiap sistem kendali/kontrol harus stabil. Ini merupakan persyaratan utama. Suatu sistem dikatakan stabil jika keluarannya tetap pada nilai tertentu dalam jangka waktu yang ditetapkan setelah diberi masukan (Tarmukan, 1995). Disamping kestabilan mutlak, suatu sistem kendali harus mempunyai kestabilan relatif yang layak. Jadi, kecepatan respon harus cukup cepat dan menunjukkan peredaman yang layak. Suatu sistem kontrol juga mampu memperkecil kesalahan sampai nol atau sampai pada suatu nilai yang dapat ditoleransi. Setiap sistem kendali yang berguna harus memenuhi persyaratan ini. Persyaratan kestabilan relatif yang layak dan ketelitian keadaan tunak (steady state) cenderung tidak dapat dipenuhi secara bersama-sama. Oleh karena itu dalam mendesain sistem kontrol/kendali, kita perlu melakukan kompromi yang paling efektif diantara dua persyaratan ini. 2.2 Kontroler PID Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing kontroler P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi kontroler proporsional plus integral plus differensial (kontroler PID). Elemen-elemen kontroler P, I dan D masing masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghasilkan offsetdan menghasilkan perubahan awal yang besar. Gambar 1 menunjukkan blok diagram kontroler PID (Gunterus, 1997).

Keluaran kontroler PID merupakan jumlahan dari keluaran proporsional, keluaran integral, dan keluaran differensial. Gambar 2 menunjukkan hubungan tersebut (Gunterus, 1997).

Pengendali PID menghasilkan output yang tergantung pada magnitude, lamanya dan laju perubahan dari sistem sinyal error (Petruzella, 1996). Karakteristik kontroler PID sangat dipengaruhi oleh konstribusi besar dari ketiga parameter P, I, dan D. Penyetelan konstanta Kp, Tidan Tdakan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut akan memberikan konstribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan. 2.3 Metode Ziegler-Nicholas Ziegler-Nicholas pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun 1942. Metode ini memiliki dua cara, metode osilasi (siklus kontinyu) dan kurva reaksi (Tarmukan, 1995). Kedua metode ditujukan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum sebesar 25% (Ogata, 1997).

2.4 Metode Osilasi Metode ini didasarkan pada reaksi sistem loop tertutup. Plant disusun serial dengan kontroler PID. Semua parameter integrator disetel tak berhingga dan parameter differensial disetel nol (Ti= ~ ; Td= 0). Parameter proporsional kemudian dinaikkan bertahap. Mulai dari nol sampai mencapai harga yang mengakibatkan reaksi sistem berosilasi. Reaksi sistem harus berosilasi dengan magnitude tetap. Gambar 4 menunjukkan rangkaian loop tertutup dengan metode osilasi (Ogata, 1996). Nilai penguatan proporsional pada sistem mencapai kondisi sustained oscilationdisebut ultimate gainKu. Periode dari sustained oscilation disebut ultimate periodTu.

Penalaan parameter PID didasarkan terhadap kedua konstanta hasil eksperimen, Kudan Pu. Ziegler dan Nicholas menyarankan penyetelan nilai parameter Kp, Tidan Td berdasarkan rumus yang diperlukan pada tabel 1.

2.5 Pengendali PID digital Dalam domain waktu keluaran dari kendali PID dapat dinyatakan sebagai berikut:

Untuk dapat diterapkan pada kontroler digital, maka persamaan (1) harus diubah ke dalam persamaan diskrit dengan mendifinisikan persamaan di atas terhadap waktu, sehingga diperoleh persamaan:Pada persamaan diatas dapat diketahui berapa lama keluaran kontroler harus berubah untuk setiap perubahan waktu yang dianggap kecil, dt. Dalam sistem digital, selang waktu dtdinyatakan dalam waktu sampling Ts. Maka untuk mengetahui berapa besar keluaran dan error dalam bentuk perubahan dari satu sampling ke sampling berikutnya sebagai berikut:BAB IIIISI

3.1 Bahan penelitianData yang merupakan bahan penelitian ini dikumpulkan melalui beberapa metode sebagai berikut:a) Studi literatur, yaitu penelusuran literatur mengenai dasar pengetahuan tentang hal-hal yang berkaitan dengan penelitian ini. b) Melakukan pengamatan secara langsung pada perangkat keras dan perangkat lunak yang digunakan pada sistem pengendalian. c) Pengumpulan data berdasarkan hasil-hasil pengujian. 3.2 Alat penelitian Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: perangkat keras (hardware) berupa komputer dengan prosesor Intel Core 2 CPU T5500 1,66 GHz, memori 2,49 GB RAM, hard disk 320 GB dan monitor 15,4 inchi. Perangkat lunak (software) berupa sistem operasi Microsoft Windows XP dan program MatLab versi 7.0.4. 3.3 Jenis penelitian Penelitian ini merupakan penelitian eksperimen dengan cara merancang dan mengembangkan suatu perangkat lunak yang akan diterapkan pada sistem untuk menunjukkan kemampuan pengendali PID dalam melakukan proses pengendalian steam turbine(turbin uap). 3.4 Tahapan penelitian Penelitian ini dilakukan dengan melalui tahapan-tahapan sebagai berikut: a) Mengumpulkan bahan dan alat penelitian yang akan digunakan pada pengujian sistem. b) Instalasi program-program yang dibutuhkan serta pengaturannya. c) Melakukan persiapan data yang telah ada sehingga dapat digunakan oleh program aplikasi. d) Merancang dan menyusun algoritma yang sesuai dengan karakteristik pengendali PID untuk proses pengendalian turbin uap (steam turbine). e) Pembuatan program aplikasi untuk simulasi pengujian dengan menggunakan program MatLab versi 7.0.4. f) Langkah selanjutnya dengan melakukan pengujian sistem dan mengamati hasil simulasi pengujian. Dari hasil-hasil pengujian kemudian dapat ditarik kesimpulan penelitian ini. 3.5 Analisa Sistem Dinamika Proses Sistem Sistem pembangkit listrik yang sudah umum digunakan adalah mesin generator AC. Dimana penggerak utamanya bisa berjenis mesin turbin, mesin diesel atau mesin balingbaling. Dalam pengoperasian pembangkit listrik dengan generator, karena faktor keandalan dan fluktuasi jumlah beban, maka disediakan dua atau lebih generator yang dioperasikan dengan terus menerus, cadangan dan bergiliran untuk generator-generator tersebut. Pada sistem tenaga listrik, permintaan beban sering berubah-ubah besarnya. Hal ini menimbulkan perubahan parameter dari sistem. Salah satu parameter yang terpengaruh dengan adanya perubahan beban adalah parameter frekuensi. Perubahan frekuensi ini jika tidak ditanggulangi dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan-peralatan listrik yang peka terhadap perubahan frekuensi. Pada pembangkit listrik tenaga uap, generator digerakkan oleh turbin uap (steam turbine) dengan kecepatan generator yang dapat diatur dengan jalan mengatur kecepatan turbin uap. Perangkat yang mengatur kecepatan turbin uap inilah yang dinamakan D-EHC. D-EHC adalah sebuah mikroprosesor yang didasarkan pada turbin governor. Pada DEHC mempunyai duplikat digital controler, duplikat speedsensor dan hirarki untuk konfigurasi distribusi untuk menjamin adanya sistem yang handal dan on lineuntuk perawatannya. Pada D-EHC sistem kabinet di atas mempunyai fungsi sebagai turbine startup, speed control, load control, valve position control, turbine protectiondan CRT service. Berdasarkan fungsi dari DEHC tersebut, maka pada penelitian ini diambil plant yang sesuai dengan pengaturan perubahan frekuensi, yaitu kontroler untuk mengendalikan control valve, dimana fungsi control valve disini sebagai pengatur buka-tutup dari laju aliran uap air.

Turbin Uap (Steam Turbine) Pada sistem turbin uap dinamika diasumsikan mencapai fungsi transfer orde satu maka digunakan persamaan keseimbangan massa dan kalor yang umum untuk proses aliran tunak, isentropis, dan mengabaikan kelambatan pada nozzle. Persamaan kesetimbangan massa dan kalor yang umum untuk proses aliran tunak, yaitu:

Persamaan (5) dapat berubah menjadi:

Dengan memasukan persamaan (4) ke (5) di dapat persamaan differensial dari dinamika sistem turbin uap :

Persamaan 6 ditransformasi laplacekan menjadi:

Perubahan daya akibat adanya perubahan aliran dapat dirumuskan sbb:(10)

sehingga hubungan input ouput dapat dituliskan sebagai berikut:

Dengan mengolah data yang didapatkan dari plant, seperti laju aliran uap masuk pada 1ststage turbin Wi = 760880 Kg/h = 211.35 Kg/dt, v = 2.2 m3dan u yang didapatkan dari suhu 1ststage turbin adalah 4500 C pada tekanan, P = 90 Kg/cm3.

Katup kendali Untuk memudahkan dalam perancangan pengendali frekuensi pada steam turbin, maka dapat dibuat diagram blok seperti pada gambar 8.

Pada gambar 8. terdapat notasi Pc= Pm= PD + Ptiedan fdiasumsikan nilainya nol. Tetapi jika Pc nilainya lebih besar dari Pc pada kondisi steady state, maka sistem akan stabil pada f>0 dan ini berarti sistem beroperasi pada frekuensi di atas frekuensi normal (f0). Untuk menghindari kondisi ini, sebuah pengendali area perlu ditambahkan pada sistem, yaitu yang disebut Area Control Error(ACE) dimana sinyal masukannya adalah perkalian antara perubahan frekuensi (f) dan konstanta bias frekuensi (B). Daya Tie-Line Pada interkoneksi sistem pembangkit perlu sekali mempertimbangkan aliran daya tie-linedari sistem ke sistem yang lainnya, dimana tie-line tersebut dihubungkan oleh sebuah bus tie-line. Pemodelan line secara pendekatan dapat digambarkan dengan reaktansi induktif secara seri, seperti pada gambar 10. Mengingat perancangan dalam penelitian ini bentuk simulasi dengan aplikasi software, maka teori kontrol diskrit adalah pendekatan teori kontrol analog dengan time samplingtertentu, sehingga dimengerti oleh komputer dengan iterasi program berulang. Persamaan digital untuk kontroler PID analog dengan time sampling tertentu dapat dituliskan sebagai berikut:

Penalaan parameter kontroler PID selalu didasari atas tujuan terhadap karakteristik yang diatur (plant). Dengan demikian mode matematik plant, perilaku plant tersebut harus terlebih dahulu sebelum penalaan parameter PID itu dilakukan.Dengan melihat data yang di dapat dari plant, maka diagram blok dapat dilihat seperti gambar 12. Pada proses tuning PID menggunakan Ziegler-Nicholas, pertama-tama set Ti = ~ dan Td = 0, sehingga transfer function close-loop

Pada proses tuning PID menggunakan Ziegler-Nicholas, pertama-tama set Ti = ~ dan Td = 0, sehingga transfer function close-loopseperti gambar 13.

Kemudian dengan menguji unit step pada sistem di atas dengan fungsi alih ) ( / ) ( s P s fD adalah:

BAB IVHasil dan Pembahasan

Hasil perancangan yang berupa perangkat lunak akan diterapkan pada sistem untuk menunjukkan kemampuan pengendali PID dalam melakukan proses pengendalian. Simulasi ini menggunakan program MatLab versi 7.0.4. MatLab adalah sebuah bahasa pemrograman dengan unjuk-kerja tinggi (high-performance) untuk komputasi teknis, yang mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan pemrograman di dalam lingkungan yang mudah penggunaannya dalam memecahkan persoalan dengan solusinya yang dinyatakan dengan notasi matematik (Wijaya et al., 2007). Nama MatLab merupakan singkatan dari matrix laboratory. Pada sistem yang kondisinya tidak mengalami gangguan, plant hanya diberikan set-point sebesar nol sesuai dengan kondisi normal. Pemilihan sinyal uji gangguan pada simiulasi ini adalah sinyal uji fungsi step. Unit ramp, sinus dan noise pengukuran yang masing-masing merupakan penambahan atau pengurangan sebesar 10 % dari daya maskimum keluaran plant atau 0,1 pu MW. Uji noise pengukuran dengan memberikan sinyal random pada keluaran speed sensor sebesar 10 % perubahan frekuensi maksimum yang dikehendaki (0,05 Hz). Pada uji simulasi ini akan dibagi menjadi dua unit, yang masing-masing uji simulasi terhadap sistem pembangkit satu unit dan sistem pembangkit dua unit.4.1 Hasil pengujian I Uji pertama dengan memberikan set-point sebesar nol sesuai dengan kondisi normal antara pembebanan sistem dengan daya yang dibangkitkan, respon daya sistem terhadap waktu dapat dilihat pada gambar 15. Pada grafik tanggapan frekuensi dengan memberikan set point sebesar 0 pu MW diperoleh bahwa pada pengendali logika PID menunjukkan error steady statemendekati nol, baik pada sistem pembangkit single unit maupun interkoneksi. 4.2 Hasil pengujian II Uji yang kedua dengan memberikan gangguan perubahan beban yang berupa sinyal step, sinus dan ramp sebesar 0,1 pu MW. Dengan adanya perubahan beban pemakaian daya listrik yang sifatnya berupa gangguan, maka akan terjadi penurunan frekuensi terhadap frekuensi normalnya, respon dinamik perubahan frekuensi dan error perubahan frekeunsi dapat dilihat pada gambar 16.

Untuk sinyal gangguan berupa fungsi step sebesar 0,1 pu MW, kontroler mampu mereduksi perubahan frekuensi dan tidak mempengaruhi kestabilan sistem. Pada uji gangguan fungsi step untuk sistem pembangkit single unit respon dinamik perubahan frekuensi menunjukkan setling timesebesar 1,5 detik, maksimum overshootsebesar 0,006 persen, peak time2,5 detik dan error steady statesebesar 0,0029954 %.

Untuk sistem interkoneksi dua area, respon dinamik menunjukkan harga setling time sebesar 1,5 detik, maksimum overshoot sebesar 0,00815 %, peak time 3,5 detik dan error steady state 0,002249 %.

Untuk sinyal gangguan dengan fungsi sinus yang beramplitudo 0,1 pu MW, pengendali PID mampu mengendalikan output dari perubahan frekuensi yang diinginkan yaitu mendekati nol atau kondisi normal. Pada uji gangguan fungsi sinus pada sistem pembangkit satu unit respon plant menunjukkan settling time yang kecil sekali, yaitu mendekati nol yang masih berasal dibawah 2 % (gambar 21). Maksimum overshoot sebesar 1,87e-005 persen, peak time detik dan error steady state sebesar 6,2464e-006 %.Untuk sistem pembangkit interkoneksi dua unit respon dinamik (gambar 23), perubahan frekuensi menunjukan maxsimun over shoot 0,00002638 %. Peak time 2 dan error steady state 6,7115e-008 %.

BAB VKesimpulan

Setelah dilakukan serangkaian simulasi pengujian dan analisa dalam penelitian ini, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: a) Komponen-komponen sistem pengaturan pada penelitian ini terdiri dari D-EHC, steam turbin, tie-line, pengendali PID dan sistem beban pada pembangkit. Tuning PID yang digunakan menggunakan ZieglerNicholas dengan metode osilasi. Waktu sampling yang digunakan pada digital kontrol adalah 0,5 detik. b) Untuk sinyal gangguan berupa fungsi step, kontroler (pengendali) PID mampu mereduksi perubahan frekuensi dan tidak mempengaruhi kestabilan sistem. c) Untuk sinyal ganguan dengan fungsi sinus pengendali PID mampu mengendalikan output dari perubahan frekuensi yang diinginkan yaitu mendekati nol atau kondisi normal.